Кіріспе
Микробтар энергия қажеттілігін қанағаттандыру үшін пайдаланатын биохимиялық жолдар Микробтық зат алмасу - бұл микробтың өмір сүру және көбею үшін қажетті энергия мен қоректік заттарды (мысалы, көміртекті) алуы. Микробтар метаболистік стратегияның әртүрлі түрлерін қолданады және түрлерді бір-бірінен метаболистік сипаттамаларға байланысты ажыратуға болады. Микробтың белгілі бір метаболистік қасиеттері микробтың экологиялық нишасын анықтауда негізгі фактор болып табылады және бұл микробтың өнеркәсіптік процестерде пайдалы болуына немесе биогеохимиялық циклдерге жауапты болуына мүмкіндік береді.
Microbial metabolism is the means by which a microbe obtains the energy and nutrients (e. g. carbon) it needs to live and reproduce. Microbes use many different types of metabolic strategies and species can often be differentiated from each other based on metabolic characteristics. The specific metabolic properties of a microbe are the major factors in determining that microbe's ecological niche, and often allow for that microbe to be useful in industrial processes or responsible for biogeochemical cycles.
Гетеротрофты микробтық метаболизм
Кейбір микробтар гетеротрофты (дәлірек айтқанда, химиоорганогетеротрофты) болып табылады, олар көміртек пен энергия көздері ретінде органикалық қосылыстарды пайдаланады. Гетеротрофты микроорганизмдер тірі қожайындарынан (комменсальдар немесе паразиттер ретінде) немесе өлі органикалық заттардан (сапрофагтар) алатын қоректік заттардан тіршілік етеді. Микробиологиялық метаболизм - өлімнен кейінгі барлық организмдердің денеге ыдырауына негізгі себепші. Көптеген эукариотикалық микроорганизмдер жыртқыш немесе паразиттік әдіспен гетеротрофтық болып табылады, бұл қасиеттер кейбір бактерияларда, мысалы, Bdellovibrio (басқа бактериялардың жасушалық паразиті, оның құрбандарының өліміне әкеп соғады) және Myxobacteria, мысалы, Myxococcus (басқа бактериялардың жыртқыштары, олар көптеген Myxobacteria бір жасушаларының бірлесіп жұмыс істеу арқылы өлтіріледі және пайдаланылады). Патогендік бактериялардың көпшілігін адам немесе басқа эукариот түрлерінің гетеротрофтық паразиттері ретінде қарастыруға болады. Гетеротрофты микробтар табиғатта өте көп кездеседі және ұсақ жануарлар үшін әдетте ас қорытылмайтын целлюлоза, хитин немесе лигнин сияқты ірі органикалық полимерлердің ыдырауына жауапты. Жалпы алғанда, ірі полимерлердің көмірқышқыл газына (минерализацияға) тотықтырғыш ыдырау үшін бірнеше түрлі организмдер қажет, біреуі полимерді құраушы мономерлерге ыдыратады, біреуі мономерлерді пайдалана алады және қарапайым қалдықтарды өнім ретінде шығарады, ал біреуі шығарылған қалдықтарды пайдалана алады. Бұл тақырыпта көптеген вариациялар бар, өйткені әр түрлі организмдер әр түрлі полимерлерді ыдыратады және әр түрлі қалдықтарды бөліп шығарады. Кейбір организмдер тіпті мұнай қосылыстары немесе пестицидтер сияқты қайталанбас қосылыстарды ыдырата алады, бұл оларды биоремедиацияда пайдалы етеді. Биохимиялық тұрғыдан алғанда, прокариоттық гетеротрофты метаболизм эукариоттық организмдерге қарағанда әлдеқайда көпсалалы, бірақ көптеген прокариоттар эукариоттармен негізгі метаболистік модельдерді бөліседі, мысалы, қант метаболизмі үшін гликолизді (ЕМП жолы деп те аталады) және ацетатты ыдырау үшін лимон қышқылының циклын пайдаланады, АТФ түрінде энергия өндіреді және NADH немесе кинолдар түрінде қуатты азайтады. Бұл негізгі жолдар жақсы сақталған, өйткені олар жасушалардың өсуіне қажетті көптеген сақталған құрылыс блоктарының биосинтезіне қатысады (кейде кері бағытта). Алайда көптеген бактериялар мен археялар гликолиз және лимон қышқылы циклынан басқа альтернативті зат алмасу жолдарын пайдаланады. Жақсы зерттелген мысал - Pseudomonas-та кето-дезокси-фосфоглюконат жолы арқылы (ED жолы деп те аталады) қант метаболизмі. Сонымен қатар, кейбір бактериялар қолданатын үшінші альтернативті қант катаболикалық жолы бар, ол пентоза фосфат жолы. Прокариоттардың зат алмасудағы әртүрлілігі мен органикалық қосылыстардың үлкен түрлерін пайдалану қабілеті эукариоттарға қарағанда прокариоттардың едәуір терең эволюциялық тарихы мен әртүрлілігінен туындайды. Митохондрияның, яғни еукариоттық оттегінің энергия алмасуын пайдаланатын шағын мембраналық жасушааралық органельдің, obligate intracellular Rickettsia-ға, сондай-ақ өсімдіктерге қатысты Rhizobium немесе Agrobacterium-ға қатысты бактерияның эндосимбиозынан пайда болғаны да назарға аларлық. Сондықтан барлық митрохондриалды эукариоттардың метаболистік қасиеттері осы Pseudomonadota-мен ортақ екендігі таңқаларлық емес. Микроорганизмдердің көпшілігі тыныс алады (электрон тасымалдау тізбегін қолданады), бірақ оттегі тек қана соңғы электронды қабылдағыш емес. Төменде талқыланғандай, оттегіден басқа терминалдық электронды акцепторларды қолданудың маңызды биогеохимиялық салдары бар.
Ферментация
Ферментация - терминалдық электронды акцептор ретінде оттегі орнына органикалық көміртекті пайдаланатын гетеротрофты метаболизмнің ерекше түрі. Бұл дегеніміз, бұл организмдер NADH-ны тотықтандыру үшін электронды тасымалдау тізбегін қолданбайды, сондықтан бұл азайту қуатын пайдаланудың және қалыпты зат алмасу жолдарының дұрыс жұмыс істеуі үшін (мысалы, гликолиз) энергиямен қамтамасыз етудің баламалы әдісі болуы керек. Қиылысушы организмдерге оттегі қажет болмағандықтан, олар анаэробты болады. Көптеген организмдер анаэробты жағдайларда ашытуды және оттегі болған кезде аэробты тыныс алуды қолдана алады. Бұл организмдер факультативті анаэробиктер. NADH-ның артық өндірісін болдырмау үшін міндетті түрде ферменттелетін организмдерде әдетте толық лимон қышқылы циклы болмайды. АТФ синтезасын пайдаланудың орнына, ферменттейтін организмдерде АТФ субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу арқылы өндіріледі, онда фосфат тобы АТФ қалыптастыру үшін жоғары энергиялы органикалық қосылыстан АДФ-ға көшіріледі. Жоғары энергиялы фосфатты құрайтын органикалық қосылыстарды (әдетте, коэнзим А эфирлері түрінде) өндіру қажеттілігінің нәтижесінде ферментативті организмдер NADH және басқа кофакторларды көптеген түрлі азайтылған метаболиттік қосалқы өнімдерді, көбінесе сутек газын өндіру үшін пайдаланады. Бұл азайтылған органикалық қосылыстар әдетте, аз органикалық қышқылдар мен пируваттан алынған спирттер, гликолиздің соңғы өнімдері. Мысалға, этанол, ацетат, лактат және бутират. Ферментациялық организмдер өнеркәсіптік тұрғыдан өте маңызды және олар көптеген түрлі азық-түлік өнімдерін өндіруде қолданылады. Әрбір бактерияның әртүрлі түрінің әртүрлі метаболистік түпкі өнімдері әр тамақтың әртүрлі дәмі мен қасиеттеріне жауапты. Ферментациялық ағзалардың барлығы ғана субстрат деңгейінде фосфорилирлеуді қолдана бермейді. Оның орнына кейбір организмдер аз энергиялы органикалық қосылыстардың тотығуын тікелей протондық қозғаушы күш немесе натрийлік қозғаушы күштің пайда болуына және сондықтан АТФ синтезіне жалғастыра алады. Ферментацияның осы ерекше түрлеріне Propionigenium modestum сукцинатты ферментация және Oxalobacter formigenes оксалат ферментациясы жатады. Бұл реакциялар өте аз энергия береді. Адамдар мен басқа жоғары жануарлар ферментацияны NADH артық мөлшерінен лактатты өндіру үшін қолданады, бірақ бұл ферментациялық микроорганизмдердегідей метаболизмнің негізгі түрі емес.
Метилтрофия
Метилтрофия - организмнің С1 қосылыстарын энергия көзі ретінде пайдалану қабілеті. Бұл қосылыстарға метанол, метил аминдер, формальдегид және формат жатады. Метаболизм үшін басқа да аз таралған бірнеше субстраттар пайдаланылуы мүмкін, олардың бәрінде көміртекті көміртекті байланыстар жоқ. Метилтрофтардың мысалдары ретінде метиломонас және метилобактер бактерияларын айтуға болады. Метанотрофтар - метилтрофтардың ерекше түрі, олар метанды көміртек көзі ретінде метанолға (CH3OH), формальдегидке (CH2O), формальдегидке және көмірқышқыл газына бірізді тотықтырғанда, метаномонооксигеназа ферментін қолдана отырып, пайдалана алады. Бұл процеске оттегі қажет болғандықтан, барлық (әдеттегі) метанотрофтар міндетті аэробтар болып табылады. Бұл тотықсулар кезінде квинондар мен НАДГ түріндегі энергияны азайту протондық қозғаушы күшті және сондықтан АТФ генерациясын өндіру үшін жасалады. Метилтрофтар мен метанотрофтар автотрофтық деп саналмайды, өйткені олар метилтроф түріне байланысты серин жолы (Methylosinus, Methylocystis) немесе рибулоза монофосфат жолы (Methylococcus) арқылы толық окистенуден бұрын (формальдегид деңгейінде) окистенген метанның (немесе басқа да метаболиттердің) кейбірін жасушалық көміртекке қосуға қабілетті. Аэробикалық метилтрофиядан басқа, метанды анаэробикалық жолмен де тотықтандыруға болады. Бұл сульфатты азайтатын бактериялар консорциумы мен метаногендік археялардың туыстары синтетрофиялық жұмыс істеу арқылы жүзеге асады (төменде қараңыз). Қазіргі уақытта бұл процестің биохимиясы мен экологиясы туралы аз мәлімет бар. Метаногенез - метанның биологиялық өндірісі. Оны метаногендер, мысалы, Метанококк, Метанокальдококк, Метанобактерия, Метанотермус, Метаносарцина, Метаносета және Метанопирус сияқты қатаң анаэробты археялар жүргізеді. Метаногенездің биохимиясы метанге метаноген субстраттарды ретті түрде азайту үшін бірқатар ерекше кофакторларды пайдалану арқылы ерекшеленеді, мысалы, М кофермент және метанофурандар. Бұл кофакторлар (басқа нәрселермен қатар) сыртқы мембрана арқылы протон градиентінің пайда болуына жауап береді, осылайша АТФ синтезін басқарады. Метаногенездің бірнеше түрі пайда болады, олар бастапқы қосылыстардан окистендіріледі. Кейбір метаногендер көмірқышқыл газын метанға (көбінесе) сутек газынан электрондарды химиялық жолмен автотрофтық жолмен қайтарады. Бұл метаногендер көбінесе ферменттейтін организмдер бар ортада кездеседі. Метаногендер мен ферменттеуші бактериялардың тығыз байланысын синтрофтық деп санауға болады (төменде қараңыз), өйткені метаногендер, сутегін ферменттеушілерге арқа сүйейтін, сутегінің артық жинақталуы арқылы ферменттеушілердің кері байланыс тежеуін жеңілдетеді, әйтпесе олардың өсуін тежейтін болады. Синтрофиялық қатынастың бұл түрі түрлер аралық сутекті беру деп аталады. Метаногендердің екінші тобы метаногенез үшін субстрат ретінде метанолды (CH3OH) қолданады. Олар химикалық органотрофты, бірақ көміртек көзі ретінде ғана автотрофты болып табылады. Бұл процестің биохимиясы көмірқышқыл газын азайтатын метаногендерден мүлдем өзгеше. Ақырында, метаногендердің үшінші тобы ацетаттан метан мен көмірқышқыл газын да өндіреді, ацетат екі көміртектің арасында бөлінеді. Ацетат бөлінуімен айналысатын бұл организмдер - жалғыз химиялық органогетеротрофты метаногендер. Барлық автотрофты метаногендер клеткалық көміртекті бекіту және алу үшін редуктивті ацетил- CoA жолының түрлерін пайдаланады.
Methanothermus, Methanosarcina, Methanosaeta and Methanopyrus. The biochemistry of methanogenesis is unique in nature in its use of a number of unusual cofactors to sequentially reduce methanogenic substrates to methane, such as coenzyme M and methanofuran. These cofactors are responsible (among other things) for the establishment of a proton gradient across the outer membrane thereby driving ATP synthesis. Several types of methanogenesis occur, differing in the starting compounds oxidized. Some methanogens reduce carbon dioxide to methane using electrons (most often) from hydrogen gas chemolithoautotrophically. These methanogens can often be found in environments containing fermentative organisms. The tight association of methanogens and fermentative bacteria can be considered to be syntrophic (see below) because the methanogens, which rely on the fermentors for hydrogen, relieve feedback inhibition of the fermentors by the build up of excess hydrogen that would otherwise inhibit their growth. This type of syntrophic relationship is specifically known as interspecies hydrogen transfer. A second group of methanogens use methanol (CH3OH) as a substrate for methanogenesis. These are chemoorganotrophic, but still autotrophic in using as only carbon source. The biochemistry of this process is quite different from that of the carbon dioxide reducing methanogens. Lastly, a third group of methanogens produce both methane and carbon dioxide from acetate with the acetate being split between the two carbons. These acetate cleaving organisms are the only chemoorganoheterotrophic methanogens. All autotrophic methanogens use a variation of the reductive acetyl CoA pathway to fix and obtain cellular carbon.
Синтрофия
Синтрофия микробиологиялық метаболизм жағдайында, өздігінен энергетикалық жағынан қолайсыз болатын химиялық реакцияға жету үшін бірнеше түрдің жұптасуын білдіреді. Бұл процестің ең жақсы зерттелген мысалы - ферментациялық соңғы өнімдердің (ацетат, этанол және бутират сияқты) Синтрофомонас сияқты организмдермен тотығу. Бутираттың ацетат пен сутек газына окистенуі ғана энергетикалық жағынан қолайсыз. Алайда, гидрогенотрофты (сутекті пайдаланатын) метаноген болған кезде сутек газын пайдалану сутегінің концентрациясын едәуір төмендетеді (10-5 атм-ға дейін) және осылайша стандартты жағдайларда (ΔGo) бутиратты тотықтандыру реакциясының тепе-теңдігін стандартты емес жағдайларға (ΔG) ауыстырады. Бір өнімнің концентрациясы төмендеуі нәтижесінде реакция өнімдерге қарай "жарылады" және таза энергетикалық жағынан қолайлы жағдайларға ауысады (бутиратты тотығу үшін: ΔGo= +48.2 кДж/моль, бірақ ΔG' = 8.9 кДж/моль 10−5 атм сутегінде және тіпті бастапқыда өндірілген ацетат метаногендермен метаболизденсе төмендейді). Керісінше, метаногенезден болатын еркін энергия ΔGo= 131 кДж/мольдан стандартты жағдайда ΔG' = 17 кДж/мольға дейін 10−5 атм сутектен төмендейді. Бұл түрішілік сутегінің көшірілуінің мысалы. Осылайша, аз энергия беретін көміртек көздерін организмдер консорциумы осы қосылыстардың одан әрі ыдырауына және ақыр соңында минералдануына қол жеткізу үшін пайдалана алады. Бұл реакциялар көміртегінің геологиялық уақыт шкалаларында артық тұтқындалуын болдырмауға көмектеседі, оны метан және газ сияқты пайдалы түрлерде биосфераға қайта шығарады.
Аэробты тыныс алу
Аэробтық метаболизм бактерияларда, археяларда және эукарияларда жүреді. Бактериялардың көпшілігі анаэробты түрлер болса да, олардың көбі факультативті немесе міндетті аэробтар болып табылады. Археалдық түрлердің көпшілігі экстремалды ортада өмір сүреді, олар көбінесе анаэробты болып табылады. Алайда, аэробты археяның бірнеше түрі бар, мысалы, Haiobacterium, Thermoplasma, Sulfolobus және Yymbaculum. Белгілі еукариоттардың көпшілігі митохондрияның ішінде аэробтық метаболизмді жүргізеді, бұл прокариядан пайда болған симбиогенезді органеллдер. Барлық аэробтық организмдерде цитохром оксидазалар супер-отбасының оксидазалары бар, бірақ Pseudomonadota (E. coli және Acetobacter) кейбір мүшелері де байланысты емес цитохром bd кешенін тыныс алу терминалы оксидазасы ретінде пайдалана алады.
Анаэробты тыныс алу
Аэробикалық организмдер тыныс алу кезінде терминал электронды қабылдағыш ретінде оттегі пайдаланады, ал анаэробикалық организмдер басқа электронды қабылдағыштарды пайдаланады. Бұл органикалық емес қосылыстар жасушалық тыныс алу кезінде аз энергия бөліп шығарады, бұл аэробтарға қарағанда өсімінің баяулауына әкеледі. Көптеген факультативті анаэробтар қоршаған ортаның жағдайына байланысты тыныс алу үшін оттегі немесе баламалы терминалдық электронды акцепторларды пайдалана алады. Көптеген тыныс алу анаэробтары гетеротрофтар, бірақ кейбіреулері автотрофты өмір сүреді. Төменде сипатталған барлық процестер диссимилятивті, яғни олар энергия өндіру кезінде қолданылады, ал жасушаға қоректік заттармен қамтамасыз ету үшін емес (ассимилятивті). Анеробикалық тыныс алудың көптеген түрлері үшін ассимиляциялық жолдар да белгілі.
Денитрификация нитрат электрон қабылдағышы ретінде
Денитрификация - нитратты (NO3) терминалдық электронды қабылдағыш ретінде пайдалану. Бұл Pseudomonadota-ның көптеген мүшелері қолданатын кең таралған процесс. Көптеген факультативті анаэробтар денитрификацияны қолданады, өйткені нитрат, оттегі сияқты, жоғары редукциялық әлеуетке ие. Көптеген денитрификациялаушы бактериялар темірлі темірді және кейбір органикалық электронды акцепторларды пайдалана алады. Денитрификация нитратты нитритке (NO2), азот оксидіне (NO), азот оксидіне (N2O) және динитрогенге нитрат редуктаза, нитрит редуктаза, азот оксиді редуктаза және азот оксиді редуктаза ферменттері арқылы кезең-кезеңмен азайтуды қамтиды. Протондарды мембрана арқылы бастапқы NADH редуктазасы, хинондар және азот оксиді редуктазасы арқылы тасымалдау арқылы тыныс алу үшін маңызды электрохимиялық градиент пайда болады. Кейбір организмдер (мысалы, E. coli) нитрат редуктазасын ғана өндіреді, сондықтан нитриттің жиналуына әкелетін алғашқы редукцияны ғана жүзеге асыра алады. Басқалары (мысалы, Paracoccus denitrificans немесе Pseudomonas stutzeri) нитратты толығымен азайтады. Толық денитрификация экологиялық маңызды процесс болып табылады, өйткені кейбір денитрификацияның аралықтары (оттық оксид және азоттық оксид) маңызды парниктік газдар болып табылады, олар күн сәулесімен және озонмен әрекеттесіп, қышқыл жаңбырдың құрамдас бөлігі - азот қышқылын өндіреді. Денитрификация биологиялық ағынды суларды тазартуда маңызды, онда ол қоршаған ортаға шығарылатын азот мөлшерін азайту үшін қолданылады, осылайша эвтрофикацияны азайтады. Денитрификацияны нитрат редуктаза сынағы арқылы анықтауға болады.
Сульфатты азайту электрон қабылдағышы ретінде сульфат
Диссимиляторлық сульфатты азайту - бұл көптеген Gram-термогендік бактериялар қолданатын салыстырмалы түрде энергиясы төмен процесс. Термодесульфобактериота, Desulfotomaculum немесе археон Archaeoglobus-ке қатысты Gram-позитивті организмдер. Сутек сульфиді (H2S) метаболизмнің соңғы өнімдері ретінде түзіледі. Сульфатты азайту үшін электрон донорлары мен энергия қажет.
Электрондық донорлар
Көптеген сульфатты редукторлар органотрофты, олар лактат және пируват (көптеген басқалар арасында) сияқты көміртек қосылыстарын электрон доноры ретінде қолданады, ал басқалары литотрофты, олар сутек газын электрон доноры ретінде қолданады. Кейбір ерекше автотрофты сульфатты редукциялайтын бактериялар (мысалы, Desulfotignum phosphitoxidans) фосфитті (HPO3 ) электрон доноры ретінде пайдалана алады, ал басқалары (мысалы, Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes, Desulfocapsa sulfoexigens) күкірт диспропорциясын жасауға қабілетті (бір қосылысты екі түрлі қосылысқа бөлу, бұл жағдайда электрон доноры және электрон акцепторы) элементтік күкірт (S0), сульфит (SO32−) және тиосульфатты сульфид сутекті (H2S) және сульфатты (SO42−) өндіру үшін пайдаланады.
Қалқымды азайту энергиясы
Барлық сульфатты азайтатын организмдер анаэробты болып табылады. Сульфат энергетикалық тұрақты болғандықтан, метаболизмге ұшырамас бұрын, ол алдымен АДФ (аденозин-5 фосфоссульфат) қалыптастыру үшін аденолирлеу арқылы белсендірілуі керек, сонда АТФ тұтынылады. Содан кейін APS ферменті APS редуктазамен сульфит (SO32−) және AMP түрінде азаяды. Көміртекті қосылыстарды электрон доноры ретінде пайдаланатын организмдерде тұтынылатын АТФ көміртек субстратының ферментациясымен есептеледі. Ферментация кезінде пайда болатын сутек сульфатты азайту кезінде тыныс алуды басқарады.
Ацетогенез электрон қабылдағышы ретінде көмірқышқыл газы
Ацетогенез - сутекті электрон доноры ретінде, ал көмірқышқыл газын электрон қабылдағышы ретінде ацетат өндіру үшін пайдаланатын микробтық метаболизмнің бір түрі, метаногенезде қолданылатын бірдей электрон донорлары мен қабылдағыштар (жоғарыда қараңыз). Ацетатты автотрофтық синтездейтін бактериялар гомоацетогендер деп аталады. Барлық гомоацетогендердегі көмірқышқыл газын азайту ацетил- CoA жолы арқылы жүзеге асады. Бұл жол автотрофты сульфатты азайтатын бактериялар мен гидрогентрофты метаногендер арқылы көміртегін бекіту үшін де қолданылады. Көп жағдайда гомоацетогендер ферментативті болуы мүмкін, ферментация нәтижесінде пайда болған сутегі мен көмірқышқыл газын ацетат өндіру үшін пайдаланады, ол соңғы өнім ретінде бөлінеді.
Химолитрофия
Химолитотрофия - органикалық емес қосылыстардың тотығуынан энергия алынатын зат алмасу түрі. Химолитрофты организмдердің көпшілігі автотрофты болып табылады. Химолитотрофияның екі негізгі мақсаты бар: энергия өндіру (АТФ) және энергияны азайту қуатын өндіру (НАДХ).
Күкірттің тотығуы
Күкіртті окистендіру - күкірт қосылыстарын (мысалы, H2S сульфиді), органикалық емес күкіртті (S) және тиосульфатты окистендіріп, күкірт қышқылын түзеді. Күкіртті окистендіретін бактерияның классикалық мысалы - қоршаған орта микробиологиясының негізін қалаушылардың бірі Сергей Виноградский алғаш рет сипаттаған Beggiatoa микроб. Тағы бір мысал - Паракокк. Жалпы, сульфидтің тотығуы кезең-кезеңмен жүреді, қажет болғанша органикалық емес күкірт клетканың ішінде немесе сыртында сақталады. Бұл екі қадамдық процесс сульфидтің органикалық емес күкіртке немесе тиосульфатқа қарағанда жақсы электрон доноры екендігіне байланысты, бұл мембрана арқылы протонның көп мөлшерде транслокациялануына мүмкіндік береді. Күкіртті тотықтырғыш организмдер кері электрон ағынын пайдалана отырып, Кальвин циклы арқылы көмірқышқыл газын бекіту үшін энергияны азайтуды тудырады, бұл NADH өндіру үшін электрондарды термодинамикалық градиентіне қарсы итермелейтін энергияны қажет ететін процесс. Биохимиялық тұрғыдан, кеміртегі қосылыстары сульфитке (SO32−) айналады, содан кейін сульфит оксидаза ферментімен сульфатқа (SO42−) айналады. Алайда кейбір организмдер сол тотығуды сульфатты азайтатын бактериялар қолданатын APS редуктаза жүйесінің керісінше қолданып жүзеге асырады (жоғарыда қараңыз). Барлық жағдайларда босатылған энергия АТФ және НАДГ өндірісі үшін электронды тасымалдау тізбегіне беріледі. Олар темірді NADH-ны автотрофты көмірқышқыл газын бекіту үшін өндіреді. Биохимиялық жағынан, аэробикалық темір тотығу - энергия жағынан өте кедей процесс, сондықтан протондардың қозғаушы күшін қалыптастыру үшін үлкен мөлшерде темірді рустицианин ферментімен тотықтырады. Күкірт тотығу сияқты кері электрон ағыны да Кэлвин циклы арқылы көмірқышқыл газын бекіту үшін қолданылатын NADH құрастыру үшін пайдаланылуы керек.
Нитрификация
Нитрификация - аммиактың нитратқа (NO3) айналуы. Нитрификация екі түрлі процестердің нәтижесі болып табылады: аммиактың нитрозалаушы бактериялар (мысалы, Нитросомона) арқылы нитритке окистенуі және нитритті окистендіретін бактериялар (мысалы, Нитробактер) арқылы нитриттің нитратқа окистенуі. Бұл екі процесс та өте төмен энергиялы, бұл екі түрдегі организмдердің өсу қарқынын өте баяу етеді. Биохимиялық тұрғыдан аммиакты тотықтандыру цитоплазмадағы аммиак монооксигеназы ферментімен аммиакты гидроксиламинге (NH2OH) кезең-кезеңмен тотықтандыру арқылы, содан кейін гидроксиламинді гидроксиламин оксидорэдуктаза ферментімен нитритке тотықтандыру арқылы жүзеге асырылады. Электрон мен протонның циклдеуі өте күрделі, бірақ таза нәтиже ретінде тек бір протон ғана мембрана арқылы окистенген аммиак молекуласына ауысады. Нитритті окистендіру әлдеқайда қарапайым, нитритті нитрит оксидоредуктаза ферменті окистендіреді, ол өте қысқа электронды тасымалдау тізбегі арқылы протонды транслокацияға қосылады, бұл да осы организмдердің өте төмен өсуіне әкеледі. Аммиак пен нитрит окистенуінде де оттегі қажет, яғни нитрозалаушы және нитритті окистендіретін бактериялар аэробтар болып табылады. Күкірт пен темірдің тотығуындағыдай, Кальвин циклын пайдалана отырып, көмірқышқыл газын бекіту үшін NADH кері электрон ағыны арқылы пайда болады, осылайша энергиясы аз процеске қосымша метаболиттік жүктеме жүктеледі. 2015 жылы екі топ өз-өзінше Нитроспира микробтық туысының толық нитрификацияға қабілетті екенін көрсетті (Comammox).
Анаммокс
Анаммокс - анаэробты аммиакты тотығу, ал оның себепкерлері 1990 жылдардың соңында ғана анықталды. Метаболизмнің бұл түрі Planctomycetota мүшелерінде (мысалы, "Candidatus Brocadia anammoxidans") кездеседі және аммиакты окистендіруді нитритті азайтуға байланыстырады. Бұл процеске оттегі қажет болмағандықтан, бұл организмдер анаэробтар болып табылады. Бір қызығы, гидразин (ракеталық отын) анамокс метаболизмі кезінде аралық ретінде өндіріледі. Гидразиннің жоғары уыттылығын жою үшін анамокс бактерияларында анамоксасома деп аталатын гидразинді құрайтын жасушалық органеллер бар, олар өте тығыз (және ерекше) баспалдақ липид мембранасымен қоршалған. Бұл липидтер табиғаты жағынан ерекше, гидразиннің метаболистік аралық ретінде қолданылуы да ерекше. Анаммокс организмдері көмірқышқыл газын бекіту механизмі түсініксіз болса да, автотрофтар болып табылады. Осы қасиеттері бар, сондықтан бұл организмдерді өнеркәсіптік ағынды суларды тазарту процестерінде азотты жою үшін пайдалануға болады. Анаммокс анаэробты су жүйелерінде кең таралған екені анықталды және мұхиттегі азот газын өндірудің шамамен 50% -ын құрайды деп болжалды.
Манганийдің тотығуы
2020 жылдың шілдесінде зерттеушілер байланысты емес эксперименттер жүргізгеннен кейін металл марганецпен қоректенетін хемолитоавтотрофты бактериялық мәдениеттің ашылғанын және оның бактериялық түрлерін Candidatus Manganitrophus noduliformans және Ramlibacter lithotrophicus деп атағанын хабарлады.
Фототрофия
Көптеген микроорганизмдер (фототрофтар) жарықты энергия көзі ретінде АТФ және көмірсулар, липидтер және ақуыздар сияқты органикалық қосылыстар өндіру үшін пайдалана алады. Олардың ішінде балдырлар ерекше маңызды, өйткені олар оттегіге ие, фотосинтез кезінде электрондарды беру үшін суды электрон доноры ретінде пайдаланады. Фототрофты бактериялар "Цианобактериялар", Хлоробиота, Псевдомонадота, Хлорофлексота және Бацилота кластарында кездеседі. Оттегілік фотосинтезден басқа, көптеген бактериялар фотосинтезді анаэробтық жолмен де жүзеге асырады, әдетте сульфидті (H2S) сульфат өндіру үшін электрон доноры ретінде пайдаланады. Кейбір организмдер органикалық емес күкірт, тиосульфат және темірді де пайдалана алады. Филогенетикалық тұрғыдан алғанда, барлық оттегі фотосинтезін жүргізетін бактериялар цианобактериялар болып табылады, ал оттегісіз фотосинтезін жүргізетін бактериялар қызғылт бактерияларға (псевдомонадота), көк күкірт бактерияларына (мысалы, хлоробиум), көк күкіртсіз бактерияларға (мысалы, хлорофлекс) немесе гелиобактерияларға (% G + C Gram оң төмен) жатады. Бұл организмдерден басқа кейбір микроорганизмдер (мысалы, Archaeon Halobacterium немесе Roseobacter бактериясы) жарықпен жұмыс істейтін протонды насос - бактериоходипсин ферментін қолдана отырып, энергия өндіру үшін жарықты пайдалана алады. Алайда фотосинтез жүргізетін археялар жоқ. Фотосинтездік бактериялардың көп түріне сәйкес, жарық зат алмасу үшін энергияға айналатын көптеген механизмдер бар. Барлық фотосинтездік организмдер фотосинтездік реакция орталықтарын мембрананың ішінде орналастырады, олар цитоплазмалық мембрананың (Псевдомонадота), тилакоидтық мембраналардың ("Цианобактериялар"), хлоросомалар деп аталатын мамандандырылған антенналық құрылымдардың (жасыл күкірт және күкірт емес бактериялар) немесе цитоплазмалық мембрананың (гелиобактериялар) инвагинациялары болуы мүмкін. Фотосинтездің әртүрлі бактерияларында хлорофиллдер мен каротиноидтар сияқты фотосинтездің әртүрлі пигменттері бар, бұл оларға электромагниттік спектрдің әртүрлі бөліктерін пайдалануға және осылайша әртүрлі нишаларда тұруға мүмкіндік береді. Кейбір организмдер тобында жарықты жинап алатын ерекше құрылымдар бар (мысалы, цианобактериялардағы фикобилизомалар мен көк күкіртті және күкіртсіз бактериялардағы хлоросомалар), бұл жарықты тиімді пайдалануды арттыруға мүмкіндік береді. Биохимиялық тұрғыдан алғанда, оттегісіз фотосинтез оттегімен фотосинтезден ерекшеленеді. Цианобактериялар (және соған сәйкес хлоропластар) электрон ағынының Z схемасын қолданады, онда электрондар NADH-ны қалыптастыру үшін пайдаланылады. Екі түрлі реакциялық орталықтар (фотосистемдер) қолданылады және протондық қозғаушы күш циклдік электрон ағыны мен кинондық бассейнді пайдалану арқылы пайда болады. Аноксигенді фотосинтездік бактерияларда электрон ағыны циклдік болып табылады, фотосинтезде қолданылатын барлық электрондар бір реакциялық орталыққа қайтарылады. Протондық қозғаушы күш тек қана хинондық бассейнді пайдаланып жасалады. Гелиобактерияларда, көк күкірт және көк күкіртсіз бактерияларда NADH ферродоксин ақуызын пайдаланып, энергетикалық жағымды реакция арқылы қалыптасады. Қызғылт түсті бактерияларда NADH кері электрон ағыны арқылы осы реакциялық орталықтың төмен химиялық потенциалынан пайда болады. Алайда барлық жағдайларда протондық қозғаушы күш пайда болады және АТФ-ның АТФ-аза арқылы өндірілуін қамтамасыз етеді. Фотосинтездік микроорганизмдердің көпшілігі автотрофты болып табылады, олар Кальвин циклы арқылы көмірқышқыл газын бекітеді. Кейбір фотосинтездік бактериялар (мысалы, Хлорофлекс) фотогетеротрофтар, яғни олар өсіру үшін көміртек көзі ретінде органикалық көміртек қосылыстарын пайдаланады. Кейбір фотосинтездік организмдер азотты да бекітеді (төменде қараңыз).
Азотты бекіту
Азот - барлық биологиялық жүйелердің өсуі үшін қажетті элемент. Атмосферада өте кең таралған (көлем бойынша 80%), динитроген газы, әдетте, жоғары белсенділік энергиясына байланысты биологиялық тұрғыдан қолжетімді емес. Табиғаттың барлық аймақтарында азотты тек арнайы бактериялар мен археялар ғана бекітіп, динитроген газын аммиакқа айналдыра алады, оны барлық организмдер оңай сіңіреді. Сондықтан бұл прокариоттар экологиялық жағынан өте маңызды және көбінесе бүкіл экожүйелердің тіршілігі үшін өте маңызды. Бұл әсіресе мұхитта, мында азотты бекітетін цианобактериялар көбінесе тұрақты азоттың жалғыз көзі болып табылады, ал топырақта, онда бұршақ өсімдіктері мен олардың азотты бекітетін серіктестері арасында арнайы симбиоздар бар, олар өсімдіктердің өсуіне қажетті азотты қамтамасыз етеді. Азотты бекіту бактериялардың барлық нәсілдері мен физиологиялық сыныптарында таралған, бірақ бұл жалпы қасиет емес. Азотты бекітуге жауапты нитрогеназа ферменті оттегіге өте сезімтал болғандықтан, оны кері қайтарылмайтын жолмен тежейді, барлық азотты бекітуші организмдерде оттегі концентрациясын төмен ұстайтын механизм болуы керек. Мысалдарға мыналар жатады: гетероцисттер түзілуі (цианобактериялар, мысалы, Anabaena), онда бір жасуша фотосинтез жасамайды, бірақ оның орнына көршілеріне азот бекітеді, бұл өз кезегінде оны энергиямен қамтамасыз етеді. Тамыр түйіндері симбиоздары (мысалы, Rhizobium) бактерияларды легагемоглобин молекулаларына байлайтын өсімдіктермен (мысалы, Clostridium pasteurianum) өте жылдам метаболизм (мысалы, Azotobacter vinelandii) Азотты синтездеудің өндірісі мен белсенділігі өте жоғары реттеледі, өйткені азотты синтездеу өте қымбат процесс (бірде 1624 АТФ қолданылады) және азоттазаның оттегіге өте сезімтал болуы.
heterocyst formation (cyanobacteria e. g. Anabaena) where one cell does not photosynthesize but instead fixes nitrogen for its neighbors which in turn provide it with energy
root nodule symbioses (e. g. Rhizobium) with plants that supply oxygen to the bacteria bound to molecules of leghaemoglobin
anaerobic lifestyle (e. g. Clostridium pasteurianum)
very fast metabolism (e. g. Azotobacter vinelandii)
The production and activity of nitrogenases is very highly regulated, both because nitrogen fixation is an extremely energetically expensive process (16–24 ATP are used per fixed) and due to the extreme sensitivity of the nitrogenase to oxygen.